Tvrdost materiálu je definována jako mechanická odolnost, které je materiál proti průniku.
Pro měření tvrdosti materiálu se do povrchu zkoušeného materiálu vtlačuje známou silou po určitou dobu indentor s nízkou deformovatelností (diamantový kužel nebo koule, kobalt vázaný na karbid wolframu nebo extra tvrdá ocel). Čím menší je otisk, tím tvrdší je materiál. Tvrdost se měří na různých stupnicích v závislosti na typu uvažovaného materiálu.
Existuje široká škála testů tvrdosti, nejběžnější a nejběžnější jsou testy penetrace nebo odskoku, které charakterizují tvrdost kovů , plastů a elastomerů , ale testy poškrábání mohou v některých případech nabídnout zajímavé možnosti pro charakterizaci tvrdosti minerálů . Výhodou těchto testů je, že jsou jednodušší, rychlé a obecně nedestruktivní. Kromě toho umožňují ocenit a určitými opatřeními odhadnout mechanickou odolnost materiálů, jejich tuhost, odolnost křehkých těles atd. .
Měření tvrdosti odskokem se používá hlavně u elastomerů . Spočívá v měření výšky odrazu malé hmoty padající ze známé výšky na povrch zkoušeného materiálu. Hmota je vyrobena z oceli zakončené zaobleným diamantem. Padá zasunutím do hladké trubice a výška jeho odskoku se měří za běhu.
Zkouška není schválena a energie pružného přetvoření je absorbována materiály. Abychom tomu plně porozuměli, je nutné sledovat křivky tahu elastomeru s cyklem náboje a výboje v oblasti pružnosti. Je proto třeba poznamenat, že v případě elastomerů elastický náboj a výboj neberou stejnou cestu, jako tomu může být v případě krystalického materiálu.
V rovině "napětí - deformace" má povrch pod křivkou rozměr energie. Plocha pod pružnou trakční křivkou tedy odpovídá elastické energii absorbované materiálem. Plocha pod křivkou výboje odpovídá energii uvolněné materiálem. „Pryžový“ materiál proto nevrací veškerou absorbovanou energii, a proto se tak často používá k tlumení vibrací .
Čím tvrdší bude elastomer, tím více se bude chovat jako obyčejný krystalický materiál. Čím měkčí je elastomer, tím pružnější energii absorbuje. Proto si zde povšimneme rozdílu ve významu slov „tvrdý“ a „měkký“ mezi polymery a krystalem.
Existuje také varianta tohoto testu pro kovové slitiny . Provozní režim zůstává stejný, ale interpretace se liší. V tomto případě jde o měření energie plastické deformace absorbované materiálem. Je-li ráz dokonale elastický (žádná plastická deformace, velmi tvrdá část, která se má zkoušet), bod se teoreticky odrazí až do výšky uvolnění (zanedbáním tření); můžeme vztahovat výškový rozdíl h k kinetické energii Δ E c absorbované během nárazu:
kde m je uvolněná hmotnost ag je gravitační zrychlení . V případě extrémně měkkého předmětu se hrot zaboří dovnitř a nebude se odrážet. Zařízení jsou normálně kalibrována pro získání tvrdosti 100 pro kalenou 0,9% uhlíkovou ocel a asi 35 pro měkké oceli.
Nejběžněji se provádí měření tvrdosti penetrací. Princip je vždy stejný: nedeformovatelný indentor zanechává otisk v materiálu, který má být testován. Změří se rozměry otisku a z toho se odvodí tvrdost.
V prvním přístupu můžeme poměrně jednoduchým způsobem spojit elastickou mez R e s povrchem otisku: čím více pronikající objekt klesá, tím více se zvyšuje plocha S , proto je síla F konstantní, tím větší je napětí klesá. Když napětí již nestačí k plastické deformaci testovaného tělesa, pronikající objekt se zastaví, proto:
Hodnoty tvrdosti získané díky různým níže uvedeným protokolům a zkušebním zařízením jsou tento elastický limit R e, ale výsledky nejsou totožné, protože tyto zjednodušené výpočty zohledňují povrch výstupku otisku (jako disk nebo čtverec) ) namísto zohlednění skutečné oblasti otisku (jako je plocha sférického víčka nebo fazety pyramidového otisku). Aby byla zajištěna reprodukovatelnost měření, musí být hmotnost testovaného materiálu mnohem větší než hmotnost indentoru.
Brinellův test a Vickersův test na stejném vzorku nedávají ve výsledku stejnou hodnotu, ale snížením výpočtu hodnoty síly na skutečný povrch otisku (respektive sférický uzávěr nebo pyramida) spadáme do v obou případech na stejnou hodnotu, což je hodnota „tlaku“ pevného materiálu.
Existuje široká škála možných zkoušek tvrdosti:
Měření tvrdosti podle Vickerse se provádí pomocí standardizovaného pyramidového diamantového bodu se čtvercovou základnou a úhlem nahoře mezi plochami rovnými 136 °. Otisk má tedy tvar čtverce ; dvě úhlopříčky d 1 a d 2 tohoto čtverce se měří pomocí optického zařízení. Hodnota d se získá průměrem d 1 a d 2 . Je to d, které bude použito pro výpočet tvrdosti. Normalizuje se také síla a trvání podpory. Tvrdost podle Vickerse je dána následujícím vztahem:
HV = tvrdost podle Vickerse |
Stupeň tvrdosti, zaznamenaný Hv, se poté odečte na počítadle (tabulka); je počitadlo silou podpory.
StandardyNormy evropské ( EN ) a mezinárodní ( ISO ):
Indentér je kulička z kalené oceli nebo karbidu wolframu o průměru D (mm), dutina je sférická čepička o průměru d . Použitá síla F je vybrána ze standardizovaného rozsahu vhodného pro D a zkoušený materiál. Brinellova tvrdost (uvedená H B ) je dána následujícím vztahem:
HB = tvrdost podle Brinella g = zemské zrychlení (9,80665) |
Povrch musí být rovný a očištěný (bez maziva, oxidů nebo vodního kamene). Je nutné mít dostatečnou tloušťku, aby průnik koule nedeformoval materiál. Jinak by měření nebylo spolehlivé. Je požadována tloušťka nejméně osminásobku hloubky h otisku.
Pracovní režimUmístěte indentor do kontaktu s povrchem materiálu. Použijte sílu. Udržujte toto nabití po dobu 10 až 15 sekund. Změřte na odsazení dva průměry navzájem 90 °. Měření se provádí pomocí zvětšovacího zařízení a odměrného pravítka s přihlédnutím k faktoru zvětšení.
StandardyEvropské (EN) a mezinárodní (ISO) normy:
Americká norma ( ASTM ):
Mayerova tvrdost je určena stejným testem tvrdosti podle Brinella. Indent je totožný s tvrdostí podle Brinella, ale jeho hodnota se vypočítá z aplikované síly a promítnuté plochy odsazení vytvořeného podle následujícího vzorce:
s
Zkouška tvrdosti podle Rockwella ZásadaZkoušky tvrdosti Rockwell jsou penetrační testy. Ve skutečnosti existuje několik typů vnikového tělíska, které se skládají z diamantového kuželu nebo leštěné kuličky z kalené oceli . Pro získání hodnoty tvrdosti Rockwell se měří zbytkový průnik indentu, na který se aplikuje malé zatížení. test Rockwell je rychlý a snadný. Je vhodný pro menší díly a pro vysoké tvrdosti.
Test probíhá ve třech fázích:
Hodnota r je zbytková deprese získaná působením a uvolněním síly F 1 .
Hodnota tvrdosti je pak dána následujícím vzorcem:
Jednotka tvrdosti Rockwell odpovídající průniku 0,002 mm.
ŽebříkyŽebřík | Symbol | Penetrátor | Celková hodnota síly F 0 + F 1 (N) |
aplikace |
---|---|---|---|---|
NA | HRA | Diamantový kužel kruhového průřezu se zaoblenou sférickou špičkou 0,2 mm | 588.6 | Tvrdokov, ocel a tenký |
B | HRB | Ocelová koule o průměru 1,588 mm (1/16 palce ) | 981 |
Slitina z mědi , oceli měkká slitina hliník materiál, který má pevnost v tahu mezi 340 a 1000 MPa |
VS | HRC | Diamantový kužel kruhového průřezu se zaoblenou sférickou špičkou 0,2 mm | 1471,5 | Ocel, litina , titan Materiál s mezí pevnosti v tahu větší než 1000 MPa |
D | HRD | Diamantový kužel kruhového průřezu se zaoblenou sférickou špičkou 0,2 mm | 981 | |
E | HRE | Ocelová koule o průměru 1/8 palce (3,175 mm) | 981 | Litina, slitina hliníku a litina |
F | HRF | Ocelová koule o průměru 1,588 mm | 588.6 | Žíhaná slitina mědi, tenký plech. |
G | HRG | Ocelová koule o průměru 1,588 mm | 1471,5 | Měď-nikl, slitina měď-nikl-zinek |
Dvě nejčastěji používané váhy jsou B a C váhy .
Tvrdost povrchu RockwellTyto váhy se používají pro velmi tenké výrobky a pro měření tvrdosti povlaků.
Dvě použité stupnice jsou stupnice N (diamantový kužel) a T (ocelová koule). V obou případech se počáteční zatížení ( F 0 ) je 29,4 N . Každá stupnice může být použita za použití celkové zatížení 147 N , 294 N nebo 441 N . Všimněte si, že existují také W (3,175 mm průměr kuliček ), X (6,350 mm průměr kuliček ) a Y (12,70 mm průměr kuliček), váhy .
V tomto případě jednotka tvrdosti Rockwell odpovídá prohlubni 0,001 mm.
U stupnic N a T je tvrdost dána vzorcem:
Žebřík | Symbol | Penetrátor | Celková hodnota síly F 0 + F 1 (N) |
|
---|---|---|---|---|
NE | HR15N | Diamantový kužel kruhového průřezu se zaoblenou sférickou špičkou 0,2 mm | 15 | |
NE | HR30N | Diamantový kužel kruhového průřezu se zaoblenou sférickou špičkou 0,2 mm | 30 | |
NE | HR45N | Diamantový kužel kruhového průřezu se zaoblenou sférickou špičkou 0,2 mm | 45 | |
T | HR15T | Ocelová koule o průměru 1,588 mm | 15 | |
T | HR30T | Ocelová koule o průměru 1,588 mm | 30 | |
T | HR45T | Ocelová koule o průměru 1,588 mm | 45 | |
T | HR15Y | Ocelová kulička o průměru 12,7 mm, používaná hlavně pro povlaky obrušovatelného typu |
147 |
Měření tvrdosti podle Knoopa se provádí pomocí pyramidového diamantu s velmi zploštělou kosočtvercovou základnou, což umožňuje získat dostatečně velké prohlubně pro velmi malé zatížení. Je to dáno poměrem zkušebního zatížení F (K) na povrchu vtisku podle následujícího vztahu:
s
F = použitá síla (N)Knoopova tvrdost se používá zejména ke studiu křehkých materiálů, na jedné straně je kvůli malé hloubce průniku omezena tvorba trhlin, na druhé straně nerovnost dvou úhlopříček umožňuje hodnotit anizotropie na povrchu materiálů .
Porovnání penetračních metodBrinellův test je vhodný zejména pro měření v dílně. Stav povrchu nemusí být zvlášť opatrný. Test Vickers se dobře přizpůsobuje měkkým a tvrdým materiálům, jako je olovo. Knoopův test měří tvrdost tvrdých a křehkých materiálů, jako je sklo a keramika.
Typ zkoušky | Příprava místnosti | Hlavní použití | Komentář |
---|---|---|---|
Brinell | Povrch obrobku nevyžaduje extrémně pečlivou přípravu (soustružení nebo broušení). | V dílně | Metoda s nejjednodušší implementací tří metod. |
Rockwell | Dobrá příprava povrchu (například s brusným papírem OO). Přítomnost škrábanců dává podhodnocené hodnoty. | V dílně | Test je rychlý a snadný.
Dobře se hodí pro vyšší tvrdosti (přes 400 Brinell). Používá se spíše pro malé součásti (je nutné, aby byla součást dokonale stabilní). |
Vickers | Velmi čistý stav povrchu (jsou získány malé otisky prstů, přítomnost nepravidelnosti narušuje čtení). | V laboratoři | Jedná se o poměrně univerzální test vhodný pro měkké nebo velmi tvrdé materiály. Obvykle se používá pro díly malých rozměrů. |
Testy mikrotvrdosti prováděné při velmi malém zatížení umožňují velmi lokalizovaná měření (na přibližně 100 µm 2 ). Pomocí mikrodurometru je například možné určit tvrdost dané fáze ve vícefázovém vzorku nebo tvrdost velmi křehkého a tenkého vzorku.
Měření nan tvrdostiNanohardness vyvstala z potřeby měřit tvrdost tenkých usazenin. Je založen na vývoji nanoindentačních testů, kde lze hloubku otisku omezit na několik desítek nanometrů. Penkovery typu Berkovich se obecně používají kvůli jejich zjednodušenému tvaru. Tvrdost H je dána poměrem maximálního aplikovaného zatížení P max k kontaktní ploše penetrátoru / vzorku A.
Bodování měření tvrdosti je nejstarší metoda měření tvrdosti, která vedla k první stupnici tvrdosti navržené Mohsem v roce 1820 . Je definována odolností materiálu, který je proti poškrábání.
Mohsova stupniceSkládá se z deseti referenčních materiálů, z nichž každý přeškrtává ty pod ním a je poškrábán těmi výše. Poslední hodnota v měřítku odpovídající diamantu, kterou lze poškrábat pouze jiným diamantem.
Krystaly mastku (tvrdost 1).
Sádra (tvrdost 2).
Kalcit (tvrdost 3).
Fluorit (tvrdost 4).
Apatit (tvrdost 5).
Ortéza (tvrdost 6).
Křemen (tvrdost 7).
Topaz (tvrdost 8).
Diamant (tvrdost 10).